Выбор и определение оптимальных параметров бульдозера-рыхлителя в зависимости от условий эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат технических наук Селиверстов, Николай Дмитриевич

• Селиверстов, Николай Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Селиверстов, Николай Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. БУЛЬДОЗЕРЫ И РЫХЛИТЕЛИ В СИСТЕМЕ ПРОИЗВОДСТВА

ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ.

1.1. Бульдозеры-рыхлители. Параметры машин и условий эксплуатации

1.2.Эффективность и качество машин. Анализ существующих методик выбора техники в зависимости от условий эксплуатации.

Выводы. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА БУЛЬДОЗЕРА И РЫХЛИТЕЛЯ.

2.1. Методика аналитического расчета показателей эффективности бульдозера и рыхлителя.

2.1.1. Продолжительность времени рабочего цикла в системе показателей эффективности.

2.1.2. Определение структурной модели и последовательности выполнения операций.

2.1.3 Формирование целевой функции - математической модели продолжительности цикла.

2.1.4 Ограничительные условия задачи математического моделирования показателя эффективности.

2.2. Формирование зависимостей связи между основными параметрами бульдозеров и рыхлителей.

2.2.1 Обобщение полученных результатов анализа на подобные объекты техники и условия эксплуатации.

2.2.2 Формирование зависимостей связи между основными параметрами бульдозеров и рыхлителей.

2.3. Анализ изменения показателей эффективности в зависимости от технических параметров машин.

2.3.1. Анализ изменения продолжительности цикла бульдозера и рыхлителя в зависимости от основных технических параметров машин.

2.3.2. Анализ изменения показателей в зависимости от основных технических параметров машин.

Выводы.

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУЛЬДОЗЕРА И РЫХЛИТЕЛЯ.

3.1. Оптимизация основных технических параметров бульдозера и рыхлителя по целевому показателю эффективности.

3.2. Анализ изменения энергонасыщенности бульдозера и рыхлителя в зависимости от условий эксплуатации и назначения машин.

3.3. Определение предельных значений показателей эффективности машин с оптимальной энергонасыщенностью.

Выводы.

ГЛАВА 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРИТЕЧЕСКОГО АНАЛИЗА С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ.

4.1. Сопоставление по массе и энергонасыщенности. Определение рациональных условий эксплуатации.

4.2. Сопоставление бульдозеров по производительности.

4.2.1. Экспериментальные данные производительности бульдозеров.

4.2.2. Теоретический расчет производительности бульдозеров.

4.2.3. Теоретический расчет производительности бульдозеров с оптимальной энергонасыщенностью.

4.2.4 Сопоставление результатов теоретического расчета производительности с экспериментальными материалами.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор и определение оптимальных параметров бульдозера-рыхлителя в зависимости от условий эксплуатации»

Актуальность темы

Гусеничные бульдозеры с рыхлительным оборудованием занимают одно из лидирующих мест по объемам мирового производства и используются во всех отраслях строительства.

Количество производителей бульдозеров и объем выпускаемой продукции компаний растут. Внедряется в эксплуатацию новое рабочее оборудование, совершенствуются элементы силового привода, ходовой части и системы управления, обеспечивается высокий уровень комфорта и безопасности оператора, повышается надежность техники, обеспечивается эффективное сервисное сопровождение. Повышение эффективности бульдозеров-рыхлителей также связано с реализацией перспективных тенденций развития современного машиностроения: компьютеризации и интеллектуализации машин, гибридизации, оптимизации параметров машин, а также применения машин в условиях, где она дает наибольший эффект.

Наиболее востребованными иностранными производителями бульдозеров с рыхлительным оборудованием на рынке новой и бывшей в употреблении землеройной техники являются Caterpillar, Komatsu, Case, John Deere, Dressta, Liebherr, Hitachi.

Компания Caterpillar выпускает самую большую линейку землеройной техники. На долю компании приходится около 40 моделей бульдозеров-рыхлителей различной массы (от 5 т до 110 т) и мощности (от 70 л.с. до 850 л.с.). На выбор предлагаются 4 типа гусеничного движителя, 7 типов основных бульдозерных отвалов и 11 типов специализированных, различное рыхлительное и дополнительное оборудование.

Компания CASE выпускает более 10 моделей бульдозеров с различными типами гусеничной ходовой части. Каждая из базовых моделей может быть укомплектована разнообразным дополнительным оборудованием и оснащается сменным навесным оборудование, что, в итоге, позволяет получить машину оптимальным образом подходящую для определенного вида работ.

Немецкий концерн Liebherr производит 7 моделей гусеничных бульдозеров, каждая из которых может поставляться в 7-9 модификациях с разными отвалами, траками, гусеничными движителями и рыхлителями.

Модельный ряд компании Dressta насчитывает 9 моделей бульдозеров различной мощности от 74 л.с. до 515 л.с. Каждую модель можно приобрести с разным типом движителя и отвала, которые определяют эксплуатационную массу машины.

Среди российских производителей следует выделить ООО «ЧТЗ-УРАЛТРАК», ОАО «Чебоксарский завод промышленных тракторов» и ОАО «Промтрактор». Челябинский тракторный завод предлагает на выбор около 15 бульдозеров-рыхлителей различных модификаций мощностью от 180 л.с. до 820 л.с. и весом от 18,5 т до 106 тонн. Чебоксарский завод производит около 7 базовых моделей промышленных гусеничных тракторов «Четра», мощностью от 150 л.с. до 590 л.с. и массой от 17 до 65 тонн. В состав номенклатуры выпускаемой в настоящее время продукции ОАО «Промтрактор» входят гусеничные бульдозеры-рыхлители 9 модификаций (в зависимости от типа и мощности двигателя), весом от 28 т до 95,5 т. Все они оснащаются двигателями волгоградского и ярославского заводов, а также американской фирмы Cummins различной мощности.

Высокая эффективность при относительно высокой стоимости инновационной техники делает необходимым при ее эксплуатации обеспечивать минимизацию простоев, предупреждение и исключение поломок и аварий и определять области оптимального применения техники.

Компания-производитель при покупке техники предоставляет возможность в приобретении сопутствующих нематериальных услуг, обеспечивающих реализацию всех потенциальных возможностей, заложенных в машину производителем техники. В стоимость машины входят руководство по технической эксплуатации, рекомендации по сервисному обслуживанию и ремонту, рекомендации по перебазировке, рекомендации по использованию дополнительного оборудования, рекомендации по областям предпочтительного применения машины и назначению рабочего оборудования. Разработка данных рекомендаций требует развития опережающих методов исследования эффективного использования, обслуживания и управления новой техники.

Наиболее доступным и менее затратным методом интенсификации строительной техники является выбор техники в зависимости от условий эксплуатации. Методика установления условий эффективного использования и оценки технического уровня дорожной и коммунальной техники является одним из путей решения проблем получения высокой прибыли.

В условиях рыночной экономики и высокой конкуренции основной целью производства работ является получение максимального производственного результата за минимальную денежную стоимость. В результате основные рекомендации и существующие методики выбора техники основаны на минимизации себестоимости единицы продукции.

Методика имеет ряд недостатков и требует развития и дополнения. Условия эффективной эксплуатации машин и рабочего оборудования устанавливаются при экспериментальном определении производительности. Рекомендации по назначению и эффективному использованию разрабатываются после проведения ряда экспериментов с машиной определенного типа и рабочего оборудования в различных условиях эксплуатации. Такие опыты с реальными полномасштабными объектами или физическими моделями занимают много времени и связаны с большими материальными затратами. Эксперименты проводятся в идеальных условиях, определяется максимально возможная производительность. Тип разрабатываемого материала и природно-климатические факторы учитываются корректирующими коэффициентами, также определенными экспериментально. Экспериментальные данные о максимальной производительности всех машин различного типа и рабочего оборудования и корректирующих коэффициентах используются при расчете показателя себестоимости единицы продукции.

Методики выбора техники разрабатываются научными отделами компании-производителя машин, предлагающих собственное особенное программное обеспечение расчета себестоимости единицы продукции. Выбор техники для определенных условий эксплуатации по представленной методике производится каждым производителем в пределах каталога своего продукта. Применение программ при выборе машин другого производителя не рекомендуется - единая система экспериментальных данных о производительности отсутствует.

Значения показателей эффективности машин в различных условиях могут быть определены аналитическим методом расчета без проведения экспериментов с полномасштабными объектами или физическими моделями.

Аналитический метод расчета дает более точные результаты, так как учитывает противоречивые требования ряда рабочих операций к техническим параметрам машин. Теоретические зависимости, полученные методами математического моделирования, учитывают влияние условий эксплуатации и параметров машин на показатели эффективности.

На основании анализа производительности машины, себестоимости единицы продукции и других показателей эффективности можно установить области наиболее эффективного применения машин и разработать методику выбора техники в зависимости от условий эксплуатации. Параметры бульдозера с рыхлительным оборудованием, обеспечивающего максимальную эффективность в заданных условиях, определяются методами оптимизации.

Оптимальные параметры определяются раздельно для тягача с установленным только бульдозерным, только рыхлительным оборудованием и для многоцелевого бульдозерно-рыхлительного агрегата. Оборудование может использоваться в любой последовательности, которая определяется технологией и организацией земляных работ. Важно, что для получения конечного продукта бульдозерные и рыхлительные работы были выполнены в полном объеме. Объемы бульдозерных и рыхлительных работ могут быть различны, поэтому в зависимости от преобладающего типа работ выбираются параметры соответствующей машины.

Процесс выбора бульдозера-рыхлителя требует создания компьютерной программы, реализующей разработанные алгоритмы определения оптимальных параметров. Использование методики и программы выбора техники в зависимости от условий эксплуатации, основанной на моделировании показателей эффективности и оптимизации параметров машины, приводит к повышению эффективности работ и к увеличению прибыли.

Предметом исследования являются методы выбора и определения параметров бульдозеров с рыхлительным оборудованием в зависимости от условий эксплуатации.

Методы исследования

При разработке аналитических зависимостей для определения оптимальных параметров в диссертации применялись методы механики сплошной среды, оптимизации, а также методы системного анализа. Моделирование и аналитические исследования проводились с помощью современных методов анализа данных с использованием математических и статистических пакетов.

Структура работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, моделей и методик.

В первой главе диссертации проведен системный анализ рабочего процесса бульдозера и рыхлителя, определены основные параметры машины и основные параметры условий эксплуатации.

Представлены рекомендации по эффективному производству бульдозерных и рыхлительных работ.

На основе анализа рабочего процесса определены методы оценки качества и эффективности машин, представлены основные направления повышения эффективности. Выполнен анализ существующих методик выбора техники в зависимости от условий эксплуатации, приведены основные преимущества и недостатки методик.

Во второй главе проведен анализ системы показателей эффективности, определен основной показатель эффективности и его влияние на систему;

Составлены математические модели основного показателя эффективности бульдозера и рыхлителя. Исследовано влияние поправочных коэффициентов на значения показателей эффективности.

Определены зависимости связи между основными параметрами базовых тягачей и параметрами рабочего оборудования бульдозеров и рыхлителей. Проведен статистический расчет коэффициентов связи.

Проведен анализ изменения показателей эксплуатационной и экономической эффективности в зависимости от технических параметров машины и параметров условий эксплуатации.

В третьей главе представлена методика определения оптимальных параметров, составлены аналитические зависимости параметров машины от параметров условий эксплуатации.

Рассмотрено изменение оптимальных значений параметров машины при вероятностном изменении значений основных параметров условий эксплуатации.

Предложена методика определения области оптимальных параметров при работе машин в различных грунтовых условиях.

Рассмотрено влияние свойств надежности, безопасности и управляемости машин на значения показателей эффективности.

В четвертой главе представлено сопоставление результатов теоретического расчета параметров и показателей эффективности с экспериментальными данными.

При сопоставлении теоретических зависимостей для определения массы и энергонасыщенности использованы значения технических параметров существующих машин. Определение рациональных условий эксплуатации машин проводится в соответствии с их классом и технологическим назначением.

При сопоставлении данных о производительности бульдозеров аналитически рассчитываются значения показателя для существующих машин и для матттин с оптимальными параметрами. Сопоставление проводится раздельно по классам бульдозеров.

На основе полученных данных строятся графики производительности машин различного технологического назначения для различных расстояний транспортирования грунта.

Представлена экспериментальная зависимость массы рыхлителя от скорости распространения звуковых волн. Выполнено сопоставление результатов теоретического расчета оптимальной массы рыхлителей с экспериментальными данными.

Сопоставление результатов теоретического анализа с экспериментальными материалами показало, что применение методики определения оптимальных параметров бульдозеров с рыхлительным оборудованием при выборе наиболее эффективной машины для заданных условий эксплуатации дает существенный положительный результат.

В заключении представлены основные результаты работы.

Приложение содержит документы об использовании результатов исследований и программного обеспечения.

Научная новизна

Научную новизну работы составляют модели и методы, обеспечивающие автоматизированное определение оптимальных параметров бульдозера с рыхлительным оборудованием и значений показателей эффективности в заданных условиях эксплуатации.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием современных математических методов и моделей, предварительным статистическим анализом процессов работы машин, согласованностью результатов аналитических расчетов показателей эффективности и экспериментальных данных.

Апробация работы

Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено и получило одобрение на:

• XV Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы», в 2011 году;

• Международной межвузовской научно-технической конференции «Интерстроймех 2011», посвященной 50-летию Белорусско-Российского университета;

• Международная конференция в сфере инноваций машиностроения и проектирования строительной техники «ICACMVE' 2011» (International Conference on Advances in Construction Machinery and Vehicle Engineering), Шанхай, Китай 2011.

• заседаниях кафедры «СДСМ» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). Совокупность сформулированных и обоснованных научных положений, идей и практических результатов исследований представляет собой решение актуальной задачи по разработке методики выбора землеройной машины в зависимости от условий эксплуатации.

По выполненным исследованиям опубликовано 6 печатных работ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и общих выводов по работе, опубликованных на 163 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 45 таблиц, список использованной литературы из 40 наименований и приложения.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Селиверстов, Николай Дмитриевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1) Предложена методика выбора бульдозера с рыхлительным оборудованием в зависимости от условий эксплуатации. Оптимальный для заданных условий бульдозер с рыхлительным оборудованием и значения его основных параметров определяются методами аналитического расчета показателей эксплуатационной и экономической эффективности. Методика аналитического расчета позволяет установить зависимость показателей эффективности от параметров машины и параметров условий эксплуатации. Продолжительность времени цикла является основным показателем, определяющим эффективность работы.

2) Установлено влияние основных технических параметров машины и параметров условий эксплуатации на эффективность работы бульдозера-рыхлителя. Установлено, что в заданных условиях эксплуатации параметр N энергонасыщенности машины — определяет значение продолжительности т времени цикла.

3) Наилучшая машина выбирается по параметру энергонасыщенности, значение которого определяется методами оптимизации. Установлено влияние параметров условий эксплуатации, особенностей силового привода и рабочего оборудования на значения оптимальной энергонасыщенности машины.

4) В случае вероятностного изменения параметров условий эксплуатации параметр задается областью оптимальных значений энергонасыщенности для вероятных условий эксплуатации.

5) Выполнен анализ коэффициентов связи основных параметров базового тягача и рабочего оборудование. Разработаны рекомендации по использованию соответствующих коэффициентов связи параметров в зависимости от технологического назначения бульдозеров и рыхлителей.

6) Выполнено сопоставление результатов аналитического расчета показателей эффективности с экспериментальными данными. Установлено, что машины с оптимальной энергонасыщенностью являются более производительными и эффективными.

7) Разработана программа выбора бульдозера-рыхлителя, реализующая алгоритмы определения оптимальных параметров. Оптимальные параметры могут быть рассчитаны для машины только с бульдозерным или рыхлительным оборудованием или для многоцелевого бульдозерно-рыхлительного агрегата. Выбор бульдозера-рыхлителя по предложенной методике гарантирует клиенту максимальную эффективность работ и высокую прибыль.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Селиверстов, Николай Дмитриевич, 2012 год

1. Баловнев В.И. и др.; Под общ. ред. В.И. Баловнева. Дорожно-строительные машины и комплексы Москва-Омск: Изд-во СибАДИ, 2001. -528 е.: ил. 209.080.- 190 с.

2. Баловнев В.И. «Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин» М.: Машиностроение, 1994.-432 е.: ил.

3. Баловнев В.И. Многоцелевые дорожно-строительные и технологические машины: Учебное пособие. Омск - Москва: ОАО «Омский дом печати», 2006. -320 е., ил. 47, табл. 14

4. Баловнев В.И. Определение параметров и выбор землеройных машин: Учебное пособие / Москва-Омск. ЗАО «Полиграф», 2010. 224 е.: ил.

5. Баловнев В.И., Оценка инновационных предложений в дорожной и строительной технике: Учебное пособие / МАДИ(ГТУ). М., 2008. - 100 с.

6. Баловнев В.И., Оценка инновационных предложений в дорожной и строительной технике: Учебное пособие / МАДИ(ГТУ). М., 2002. - 28 с.

7. Баловнев В.И., Глаголев С.Н., Данилов Р.Г. и др. Машины для земляных работ: конструкция, расчет, потребительские свойства: в 2 кн. Кн. 1. Экскаваторы и землеройно-транспортные машины: учебное пособие для вузов Белгород: Изд-во БГТУ, 2011 - 401 с.

8. Баловнев В.И., Данилов Р.Г. Базовые гусеничные тракторы строительных и дорожных машин: Учебное пособие / МАДИ(ГТУ). -М.,2005. -65с.

9. Баловнев В.И., Ермилов А.Б. Оценка технико-экономической эффективности дорожно-строительных машин на этапе проектирования / МАДИ.-М., 1984.- 102 с.

10. Баловнев В.И., Хмара Л.А. Интенсификация разработки грунтов в дорожном строительстве. -М.: Транспорт, 1993. 383 с.

11. Бородачев И.П. «Справочник конструктора дорожных машин. М.: Машиностроение,!973. - 504 с.

12. Борщов Т.С., Колисниченко В.В. Организация и технология производства земляных работ. Учеб. для средн. сельск. проф.-техн. училищ. Изд. 2-е, испр. и доп. М., <Высш. школа>, 1978.

13. Ветров Ю. А. Сопротивление грунтов резанию. К, 1962. - 194 с.

14. Ветров Ю.А., Баладинский В.А. Машины для земляных работ. -Киев: Вища школа, 115 с.

15. Волков Д.П., Крикун В.Я., Тополин П.Е. Машины для земляных работ М.: Машиностроение, 1992. - 448с.: ил.

16. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами М.: Машиностроение, 1968. 378с.: ил.

17. Зеленин А.Н. «Машины для земляных работ» / Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. М: Машиностроение, 1975. - 424с.

18. Захарчук Б.З., Телушкин В.Д., Шлойдо Г.А., Яркин A.A. Бульдозеры и рыхлители М: Машиностроение, 1987. - 240 е.: ил.

19. Карманов В.Г., Математическое программирование: Учебное пособие. 5-е изд., стереотип. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004, - 264 с.

20. Костевич Л. С., Математическое программирование: Информ. технологии оптимальных решений: Учебное пособие. Мн.: Новое знание, 2003.-424 е.: ил.

21. Локшин Е.С., Рубайлов A.B. Строительные и дорожные машины: Обзор современной отечественной самоходной техники: Учебное пособие -М.: РИА «Россбизнес», 2004. 304 с.

22. Локшин Е С. Эксплуатация и техническое обслуживание дорожных машин, автомобилей и тракторов: Учебник для сред. Проф. образования / С.Ф. Головин, В.М. Коншин, A.B. Рубайлов и др.; под ред. Е,С. Локшина. -М.: Мастерство, 2002. 464 с.

23. Макаров С.И. и др. Экономические методы и модели: Учебное пособие / кол. авторов ; под общ. ред. С.И. Макарова. М.: КНОРУС, 2007. -232 с.

24. Недорезов И. А. Интенсификация рабочих органов землеройно-транспортных машин. -М.: МАДИ, 1979. 51 с.

25. Недорезов И. А., Савельев А.Г. Машины строительного производства: Учебное пособие - М: МГТУ им. Баумана. - 2012.

26. Полшкова И.Н., Грунтоведение. Механика грунтов: Учебное пособие. М.: Изд-во МГОУ, 2009. - ISBN 978-5-7045-0791-8.

27. Расстегаев И.К. Разработка мерзлых грунтов в северном строительстве/ И.К. -Новосибирск: Наука, 1992. 351 с.

28. Савельев А.Г., Недорезов И.А., Гладких А.Г. Основные землеройные машины: Учебное пособие М: МАДИ. - 2011.

29. Хмара JI.A. Модернизация и повышение производительности строительных машин. Киев: Будивельник, 1992. - 152 с.

30. Шестопалов К.К. Машины дня земляных работ: Учеб. пособие/МАДИ. М., 2011. - 144 с.

31. Шестопалов К.К. Подъемно-транспортные, строительные машины и оборудование: Учебное пособие. 2-е изд., испр. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 320 с.

32. Шестопалов К.К. Строительные и дорожные машины: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / К.К. Шестопалов. М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 384 с.

33. Шестопалов К.К. Строительные машины 2000. Импортная самоходная техника на российском рынке / К.К. Шестопалов. М.: Росбизнес, 2000. - 164 с.

34. Гриф М.И., Зорин В.А., Рубайлов A.B. Качество, эффективность и основы сертификации машин и услуг: Учебное пособие. М: МАДЩГТУ), 2000. - 148 с.

35. ГОСТ 29194-91 (ИСО 6747-88) «Машины землеройные. Тракторы. Терминология и техническая характеристика для коммерческой документации»

36. ГОСТ 27434-87 «Тракторы промышленные. Общие технические условия»

37. ГОСТ 27247-87 «Машины землеройные. Метод определения тяговой характеристики»

38. ГОСТ 27256-87 «Машины землеройные. Методы определения размеров машин с рабочим оборудованием»

39. Caterpillar Справочник. Технико-эксплуатационные характеристики машин фирмы Caterpillar: Справочник. США, Пеория, Иллинойс: Изд-во Caterpillar Inc, 1997. - 987 с.

40. Caterpillar Справочник. Технико-эксплуатационные характеристики машин фирмы Caterpillar: Справочник. США, Пеория, Иллинойс: Изд-во Caterpillar Inc, 2007. - 1308 с.168